简易声控灯设计

1、题 目： 基于晶体管的简易声控灯的设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力； 对电路器件的选型及电 路形式有一定的了解； 具备晶体管电路的基本设计及基本调试能力； 能够正确使 用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行仿真和制作 PCB板图。 要求完成的主要任务：1. 采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；2. 通过声音震动使灯发光，并且延迟 10 秒左右后熄灭；3. 利用仿真软件Pspice或Multisim 仿真电路，并学习PROTE软件，并用 其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单

2、、调试及设计总结） 。目录摘 要 错误!未定义书签Abstract 错误!未定义书签1 绪论 错误!未定义书签2 设计内容及要求 错误!未定义书签设计目的及主要任务 错误!未定义书签设计目的 错误!未定义书签设计任务及要求 错误!未定义书签设计思想 错误!未定义书签3 声控灯的工作与设计原理 错误!未定义书签放大电路的原理 错误!未定义书签单稳态电路的原理 错误!未定义书签继电器电路的原理 错误!未定义书签整机电路的原理 错误!未定义书签4 整机电路的制作 错误!未定义书签5 软件仿真与硬件调试 错误 !未定义书签multisim10 仿真 错误 ! 未定义书签仿真图示 错误 !未定义书签仿真

3、结果 错误 !未定义书签Protel绘制PCB版图 错误!未定义书签硬件调试 错误 !未定义书签6元器件清单表 错误!未定义书签7设计总结 错误!未定义书签8参考文献 错误!未定义书签摘要本文介绍作品采用 Multisim10 对简易声控灯电路进行绘制电路图及仿 真工作以及 protel 进行绘制电路图制作 PCB 板。主要介绍了声控灯的制作 原理以及 Multisim10 和 protel 的一些基本的操作和用法。例如，原理图 sch的绘制，当然其中也包括元件的制作；印刷电路板PCB的制作；对电路原理图进行仿真。电路分块清晰，PCB板美观、模块清晰。经仿真电路原理正确。达到任务要求。运用PR

4、OTE软件绘制最小系统原理图及部分外围扩展，在使用该软件当中， 学会创建设计文档管理库， 加载元件库，绘制电路图，放置电源部件， 修改元件 参数，生成网络表文件，同时还要将自己设计的电路原理图生成 PCB电路板图等 方法。在此基础之上将自己设计的电路进行仿真，并对其波形及数据进行分析。 关键词 ：Multisim ， protel ，声控灯， PCB1 绪论晶体管（transistor ）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、 开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的 电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如 Relay、 s

5、witch ）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非 常之快，在实验室中的切换速度可达 100GHz以上。晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个 PN结，外部通常为三个 引出电极的半导体器件。 它对电信号有放大和开关等作用， 应用十分广泛。 输入 级和输出级都采用晶体管的逻辑电路， 叫做晶体管晶体管逻辑电路， 书刊和实 用中都简称为 TTL 电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是 TTL与非门。TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造 在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件 .晶体管是半导体三极管中应用最 广泛的器件之一，在电路中用“ V

6、或“VT（旧文字符号为“ Q、“ GB等） 表示。本文介绍了基于晶体管的简易声控灯设计。声控灯已经广泛应用在居民楼的楼道中，它给人民的生活带来很多的方便。 这些声控灯电路中几乎都使用了集成电路，并且直接使用220V的交流电源。虽然这样做简化了电路，但对于初学者来说他们理解电路有一定的困难, 调试电路也具有一定的危险性。 这里介绍一个简单的声控灯电路， 采用了三极管等分立元 件和低压电源， 不仅适合初学者的学习， 而且通过电路中的继电器也可以控制其 它电器进行工作。当你对着声控电路拍手或喊叫时，电路中的继电器会动作 ,如 果用它控制小灯，可以使小灯工作几秒钟 , 然后自动关闭。2 设计内容及要求

7、设计目的及主要任务设计目的提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电 路形式的选择有一定的了解；学习晶体管电路的基本设计能力及基本调试 能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行 仿真和制作PCB板图。设计任务及要求根据已知条件，完成通过基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真。 须符合以下要求：1. 采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；2. 通过声音震动使灯发光，并且延迟 10 秒左右后熄灭；3. 利用仿真软件Pspice或Multisim 仿真电路，并学习PROTE软件，并用 其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规

8、范；4. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结） 。设计思想本次设计要求完成基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真，选择适 合三极管。而整个设计的核心部分就在采用了三极管等分立元件和低压电 源, 通过电路中的继电器也可以控制其它电器进行工作的设计，当你对着声 控电路拍手或喊叫时，电路中的继电器会动作 ,如果用它控制小灯 , 可以使 小灯工作几秒钟，然后自动关闭。该模块完成的功能主要包括放大电路和 单稳态电路以及继电器控制电路。随后运用 Multisim10 中的仿真功能对其 予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。然后运用Protel 画出电路图待所有模块的功能正确之后，然后制

9、作相应的PCB 板。最后照着原理图进行整机电路的连接。3 声控灯的工作与设计原理放大电路的原理如下图所示，在本次设计电路中使用了一只 20的压电陶瓷片，它的符号 和外形见图所示，压电陶瓷片所转换的电信号很微弱， 只有通过由三极管 VT1 组成的放大器把微弱的信号进行放大后，才能去触发单稳态电路。所以要 设置一个简单的放大电路，将微弱的信号放大，才能触发后边的电路。图 压电陶瓷片的符号和外形图所示为放大电路的组成，将信号放大。图 放大电路部分由R1和R2比例控制放大的倍数。图中V0输出了放大的信号。单稳态电路的原理图中三极管 VT2、VT3 及其电阻器、电容器组成了单稳态电路。电阻器 R3 为三

10、极管VT2提供了基极电流；而三极管VT3的基极电流则是从三极管 VT2的集 电极电阻R4上得到的。三极管VT2集电极与三极管VT3基极之间是直接耦合的； 而三极管VT3集电极与三极管VT2基极之间的耦合则是由电容器 C2来完成的。 电阻器R4是三极管VT2的集电极负载，三极管VT3的集电极负载是电阻器R5。图 单稳态电路部分单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。 电路在没有信号输入时， 选择合 理的R3使三极管VT2稳定在饱和状态，此时它的集电极电压约为以下。这样使 三极管VT3稳定在截止状态。这就是单稳态电路的稳定状态。当一个负脉冲通过C1到达三极管VT2的基极时，三极管VT2开始趋向截止,

11、 它的集电极电流减小，集电极电压升高；经过直接耦合，使三极管VT3的基极电 压升高，三极管VT3开始导通，它的集电极电压下降；经电容 C2的藕合又使三 极管VT2的基极电压进一步下降（虽然这时负脉冲已经不再存在），形成一个正反 馈，很快达到一个新的状态。此时三极管 VT2截止，三极管VT3饱和导通。这就 是单稳态电路的暂稳态现象。单稳态电路的暂稳态是不能持久的。在暂稳态期间，电容器C2通过电阻器R3进行放电,随着放电的进行,三极管VT2的基极电压逐渐升高，当它达到以上 时，三极管VT2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到VT2饱和导 通，VT3截止的稳定状态。电容C2通过电阻R3的

12、放电过程决定了电路暂稳态的 维持时间。根据计算，这个时间t = X R3X C2在本电路中电阻R3为330K,电 容C2为47卩F,所以t= X 330X 103X 47X 10-6=1ls.根据这个公式改变电阻 R3或电容C2的参数, 可以延长或缩短电路的延迟时间。电路复原后,电容器C2通过电阻器R5和三极管VT2的发射结进行充电。充 电完成后电路才可以接收下一次的触发。继电器电路的原理电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两 端加上一定的电压， 线圈中就会流过一定的电流， 从而产生电磁效应， 衔铁就会 在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁

13、的动触点与 静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在 弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。 这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常 开、常闭”触点，可以这样来区分： 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点， 称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点” 。如图为继电器电路 原理图。图 继电器电路原理图在本实验中，触点那端应该连接外部的电路控制灯。如图所示图 电路中的继电器部分控制的电路 当有电流经过线圈时，开关闭合使右边的二极管发光；当电流逐渐消失时， 发光二极管熄灭，实现控制功能。电路图

14、中，二极管接到K的线圈两端起到保护 作用。整机电路的原理如下图所示，电路中的B是一只压电陶瓷片，它能将声音信号转变为电信号。 压电陶瓷片所转换的电信号很微弱，只有通过由三极管VT1组成的放大器把微弱 的信号进行放大后， 才能去触发单稳态电路。 放大后信号中的负脉冲作用在三极 管VT2的基极上时，可以使单稳态电路翻转。电路中的电容器 C3是电源退耦滤 波电容器。在电路的稳态过程下，单稳态电路中三极管 VT2导通，三极管VT3截止。三 极管VT3的集电极为高电平，接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管，所以三 极管VT4没有导通，继电器不工作。一旦有外界的声音来触发电路，单稳态电路 中三极管 V

15、T2 的基极受到负脉冲的作用而截止，单稳态电路处在了暂态的过程 中。这时三极管 VT3 导通，它的集电极电压下降，导致与它连接的三极管 VT4 也导通，继电器吸合。由于单稳态电路的暂态时间是由电阻器 R3与电容器C2的 参数决定的 , 所以十秒钟后单稳态电路会自动恢复到稳态过程下，继电器停止工 作。图声控电路电原理图4 整机电路的制作图是声控灯电路的整机图。 对照电原理图中元器件的数值认清元器件。 安装 时首先将六只电阻器焊到电路板上 , 然后依次将电容器、二极管、三极管、继电 器焊到电路板上 , 注意电解电容器的极性和三极管的管脚排列。压电陶瓷片要通 过导线与电路板连接 , 注意在焊接压电陶

16、瓷片时，时间不能太长以免烫坏压电陶 瓷片的镀银层。小型开关和电池夹也通过导线与电路板连接。图 声控灯整机电路图 元器件装好后可接通直流电源进行调试。 首次通电时继电器会吸合几秒钟然 后释放。这时可以拍手来触发声控电路 , 每拍一下手，继电器就应吸合，十秒钟 后继电器会自动释放。继电器的一组常开触点可以作为受控电路的开关， 这一部分在电原理图中没 有画出。电路板安装图的右边两接点即为继电器的常开触点。 声控电路调试成功 后就可用这两点作为电灯开关。电路是按HRS4H-S型5V继电器的尺寸设计的，也可以根据需要选用其他符 合要求的继电器。5 软件仿真与硬件调试multisim10 仿真仿真图示打开

17、 multisim10 ，文件-新建-原理图，在按照图所示连接电路图。将整机 电路，将压电陶瓷片换成个电阻串联个开关， 实现输入信号的控制。 因为压电陶 瓷片在仿真中不能自启动，形成不了负脉冲信号，采用个开关，当闭合时， VT1 的基极是正电压， 当瞬间断开时， 产生一个类似的负脉冲信号。 所以采用开关模 拟压电陶瓷片的瞬间交流信号。整机仿真电路如图所示图 整机仿真电路快速的闭合开关然后再断开开关，则会看到发光二极管变亮，然后延迟 11 秒左右，然后熄灭。示波器查看C2两端电压，开关闭合断开后，C2的电压由左右一直降低直至 降到负值，同时，继电器两端电压保持 6V,延迟11秒后直接变为0,引起

18、继电 器断开，发光二极管熄灭。仿真结果当开关闭合时，电路仿真如图所示。图 开关闭合瞬间仿真图 然后将开关瞬间断开，模拟压电陶瓷片的交流信号，电路仿真如图所示。图 开关再次断开后的电路仿真待电路延迟 11 秒左右后，发光二极管自动熄灭。如图所示图 延迟 11 秒后电路仿真情况经过示波器查看电容C2两端电压变化和继电器两端的电压变化。 如图所示。图 电路工作在暂稳态的示波器情况根据示波器观察，其中A通道为电容C2两端电压，通道B为继电器两端电图 暂稳态结束后进入稳态的波形压，在暂稳态的时间内，A通道的电压逐渐减小，B通道两端电压一直持续在6V 左右，继电器一直在工作，此时发光二极管发光，当C2放电

19、结束时，A通道变为0V, B点电压瞬跳至0V,此时发光二极管熄灭然后电容两端经过充电又回到 6V,但是由于没有负脉冲信号触发单稳态电路反转， 所以电路处于稳定状态。如 图所示。Protel 绘制 PCB版图打开 Protel 99SE ，新建一个设计，输入名称 *.ddb ，然后点击文件，新建 一个 Schematic Document 文件，然后利用画图元件按照图连接，连接完成，如 图所示。然后分别填写各个元件的封装号。图 protel 连接图然后点击 TOOLS-ER,检验自己的电路是否出错。点击DESIGN-CREATENETLIST生成网络表，检验电路连接元件完整。然后新建一个PCB文

20、档，进入后选择Keepoutlayer ,然后将网络表载入PCB将元件放置紧密合适，然后点击AUTO ROUTE-ALL全部自动布线，完成如图所示的 PCB版图。图整机电路的PCB版图硬件调试根据本设计中的电路原理图进行实物的连接，焊接连接各元件即可。连接完成后，引出两根根导线，一根导线接+5V电源的正极，另一根导线接地，接好线后，刚开始第一次闭合开关，继电器会自动吸合一次，然后自 动松开，接着拍手来触发声控电路，每拍一下手，继电器就应吸合，发光二极管发光，然后延迟 11秒后发光二极管自动熄灭。与设计的内容基本相 符合。同样设计中仍然存在误差，这是由于元器件参数的精度不够、实物 连接时引入附加阻值、性能不够高以及环境温度等多方面的影响所致。在 实际生活中可以通过多种措施来提高输出音频信号的的稳定度，如可以选 择电容的并联使电容的值更精确；同时外界温度也会影响实验的精确性。6兀器件清单表表兀件清单表序号名称型号数量备注1电阻680k1R12电阻6801R23电阻330k1R34电阻13k1R45电阻2R5、R66二极管1N41481D17电解电容10uF1C18电解电容47uF1C29电解电容100uF1C310三极管90133VT1VT311三极管90151VT412压控陶瓷片0 201B13继电